Узкополосный спектральный анализ
Программа Узкополосный спектральный анализ предназначена для узкополосной спектральной обработки сигналов, поступающих с входных каналов модулей АЦП и анализаторов спектра (в реальном масштабе времени или в режиме воспроизведения записанных временных реализаций), а также просмотра различных спектральных характеристик сигналов.
Спектральный анализ используется для разделения сигналов на простейшие составляющие в частотной области. В основе данного типа анализа лежит принцип разложения временной реализации сигнала в частотный спектр с равномерным шагом по частоте с помощью преобразования Фурье.
При помощи программы Узкополосный спектральный анализ пользователь по форме спектра может определить наличие в измерительном канале тональных сигналов (дискретных составляющих) и шумовых компонент. Дополнительные возможности построения спектрограмм (в 2-мерном или 3-мерном виде) позволяют проследить динамику нестационарных процессов. Спектрограмма представляет собой спектрально-временное представление сигнала, рассчитанных за равные промежутки времени. Построение сечений спектрограммы по времени и по частоте позволяет измерить параметры нестационарных процессов.
Возможность получения максимальных и усредненных спектров и сравнение их с заданных спектром (нормой) позволяет легко определить различие между заданным и реальным уровнем спектров. Это необходимо при проведении различного вида мониторинга оборудования, входного/выходного контроля.
Одновременный спектральный анализ в различных частотных диапазонах одного и того же сигнала дает возможность наблюдать спектр как во всем частотном диапазоне (панорамный режим), так и детальный анализ спектра в выбранных частотных диапазонах. Это необходимо при наличии в сигнале высокочастотных и низкочастотных дискретных составляющих.
Высокое частотное разрешение (до 50 000 полос) позволяет с высокой точностью определить частоту стационарного тонального сигнала; разделить несколько близлежащих частотных компонент. Эта ситуация часто наблюдается при виброакустическом анализе различных механизмов с электрическим приводом. В окрестности 50 Гц, как правило, наблюдается несколько дискретных составляющих, связанных с электромагнитной наводкой, механическими колебаниями, например, связанными с вращением асинхронного электродвигателя. Как правило, все эти источники находятся в полосе не более 0,5 Гц.
При анализе шумовых компонент мешающим фактором является наличие дискретных составляющих на спектре. В программе имеется опция Очистка спектра от дискретных составляющих (ДС). Эта функция подавляет все стационарные тональные сигналы.
При виброакустическом анализе обычно используется пьезоэлектрические акселерометры. Эти датчики отдают сигнал, пропорциональный ускорению в точке крепления. Нормы на уровни вибрации и их спектральный состав часто задаются по виброскорости. Для того чтобы получить сигнал виброскорости, необходимо проинтегрировать по времени сигнал виброускорения. Для балансировки важно получать виброперемещение в точке крепления датчика. Двойной интеграл по времени сигнала виброускорения позволяет получить сигнал виброперемещения. Эти дополнительные функции интегрирования и дифференцирования сигнала реализованы в программе.
Для измерения уровня дискретных составляющих обычно используют измерение уровня среднеквадратического значения (СКЗ) в полосе фильтра. В этом случае уровень дискретной составляющей практически не меняется от полосы анализа. Для измерения уровня шумовых компонент необходимо измерять спектральную плотность мощности (СПМ), которая задается в единица измерения/√Гц. Это необходимо, так как спектральная плотность мощности шума не зависит от полосы анализа. Программа Узкополосный спектральный анализ позволяет рассчитывать спектры по СКЗ, СПМ и амплитудным значениям.
Дополнительные возможности программы
Помимо стандартных параметров настройки, в программе «Узкополосный спектральный анализ» реализованы дополнительные функции, такие как:
- расчёт резонансов;
- тиггер;
- дополнительные графики: отображение максимального, минимального и среднего уровней с определённым интервалом расчета, отображение графика нормы, график третьоктавного спектра, график спектра отклика;
- дополнительные окна: кепстр, спектрограмма, 3D-спектрограмма, проходная характеристика сигнала, фазовая характеристика сигнала.
Расчет резонансов
В программе Узкополосный спектр реализован режим по расчету резонансов. Основной областью применения опции расчета резонансов является мониторинг строительных конструкций или установок, подверженных сильным вибрациям при работе.
Поскольку, в любой конструкции (будь то высотное здание, мост или промышленное оборудование) при совпадении вынужденных и собственных колебаний возникает резонанс, который может привести к аварийным последствиям, был разработан эффективный программный инструмент, позволяющий выделять все резонансные частоты и выполнять мониторинг наиболее опасных зон.
Для активации режима, необходимо в Настройках параметров узкополосного спектра на вкладке Резонансы установить флаг рядом в параметром «Расчёт резонансов» и сохранить настройки, нажав кнопку «Применить».
Программа запустит дополнительное окно: Узкополосный спектр — Резонансы, в котором будут отображаться рассчитанные параметры резонансных частот, зона слежения и тренд резонансной частоты для анализа поведения структуры.
Формирование параметров слежения осуществляется в Настойках параметров мониторинга, для запуска которых необходимо в окне программы нажать одноимённую кнопку.
Также в окне программы доступны две кнопки быстрого управления: «Стоп» и «Запись», для оперативного реагирования на события.
В окне «Настройка параметров мониторинга» пользователю доступны для управления следующие параметры:
- Отображение: интервал расчета и основной параметр (резонансная частота или период колебаний);
- Мониторинг объекта: активация данной опции позволяет задать определенные пороги, соответствующие параметрам объекта мониторинга и производить контроль за выходом сигнала за пределы заданных порогов;
- Столбцы таблицы: управление параметрами, значения которых будут рассчитываться и отображаться в таблице для каждого выбранного измерительного канала;
- Запись трендов сигналов: сохранение долговременных данных мониторинга.
Задание и настройка пороговых значений осуществляется в xml-файле «Monitoring.xml», который открывается при помощи кнопки «Редактировать описатель» в поле «Мониторинг объекта». Для вступления в силу заданных в описателе параметров необходимо активировать кнопку «Прочитать описатель». Для наглядности тип порогов в таблице представлен в цветых комбинациях.
Триггер
Не редко на практике встречаются задачи, когда важно рассчитывать спектр сигнала в определённый момент времени или по определённому событию, для детального анализа поведения частотных составляющих исследуемого образца.
В программе Узкополосный спектральный анализ реализована функция триггера для двух режимов работы:
- по каналу датчика оборотов;
- по значению уровня сигнала.
По каналу датчика оборотов определяется тип синхромарок. Частота следования синхромарок должна быть не менее 1,5 Гц. Импульсы могут быть любой полярности и любой амплитуды.
Спектр рассчитывается в узкой полосе по сигналу с датчика оборотов. Данный вид анализа позволяет выделить сегмент спектра, вносящего наибольший вклад, на уровне общих помех. Удобен при анализе узлов конструкций, имеющих в составе вращающиеся механизмы.
Режим триггера по датчику оборотов
Узкополосный спектр без триггеров
Узкополосный спектр с триггером
Расчет спектра также может осуществляться по установленному значению уровня сигнала в следующих вариантах:
- больше положительного значения;
- между ними;
- меньше отрицательного значения;
или по амплитуде при выставленном пороге сигнала:
- больше порога;
- меньше порога.
Весовые функции
В программе Узкополосный спектральный анализ реализованы различные весовые функции — окна данных, также известные как обуживающие функции. Основная задача окна данных заключается в уменьшении величины смещения в периодограммных спектральных оценках. Обработка при помощи окна используется для управления эффектами, обусловленными наличием боковых лепестков в спектральных оценках. Дискретно-временные функции окна из числа предложенных в разное время для использования при спектральном анализе, доступные для выбора в программе, следующие:
- прямоугольное окно;
- окно Ханна;
- окно Хемминга;
- окно Блэкмана;
- окно Бартлетта;
- окно Кайзера;
- окно Рифа-Винсента;
- окна Блэкмана-Харриса;
- окно Наталла;
- окно Блэкмана-Наталла;
- окно с плоской вершиной;
- синус-окно;
- асимметричное окно.
Ниже приведены примеры частотных характеристик, полученных посредством вычисления дискретно-временного преобразования Фурье каждого окна:
